本文關(guān)鍵詞：劇烈塑性滾壓梯度超細(xì)晶結(jié)構(gòu)的研究

  更多相關(guān)文章： 劇烈塑性滾壓 梯度超細(xì)晶結(jié)構(gòu) 微觀結(jié)構(gòu)表征 納米化機(jī)理 微動(dòng)磨損性能 耐腐蝕性

【摘要】：傳統(tǒng)滾壓工藝的作用通常體現(xiàn)在提高表面質(zhì)量和疲勞強(qiáng)度,而其組織強(qiáng)化效果不理想。表面納米化(Surface nanocrystallization,SNC)技術(shù)是一種利用納米材料獨(dú)特的力學(xué)和理化性質(zhì)來(lái)大幅增強(qiáng)材料表面性能的新方法,但往往導(dǎo)致表面粗糙度增大。實(shí)際上,結(jié)合這兩種表面強(qiáng)化技術(shù)的優(yōu)點(diǎn),可成功制備出具有梯度超細(xì)晶結(jié)構(gòu)的材料表層。所謂梯度超細(xì)晶結(jié)構(gòu)是指材料的晶粒尺寸在空間上呈梯度分布,從納米晶或亞微米晶尺度連續(xù)增大到粗晶尺度。梯度超細(xì)晶結(jié)構(gòu)的實(shí)質(zhì)是晶界密度在空間上的梯度變化,并帶來(lái)理化和力學(xué)性能的梯度變化。這種獨(dú)特的微觀組織結(jié)構(gòu)有別于超細(xì)晶與基體材料的簡(jiǎn)單復(fù)合,有效避免了因晶粒尺寸突變引起的使用性能的突變,同時(shí)不同晶粒尺寸結(jié)構(gòu)相互協(xié)調(diào)的作用機(jī)制也可以使材料的整體性能和服役行為得到優(yōu)化和提高。目前,對(duì)于梯度超細(xì)晶結(jié)構(gòu)材料的微觀組織演變及表層性能等方面的機(jī)理研究尚缺乏統(tǒng)一認(rèn)識(shí)和理解。本論文利用劇烈塑性滾壓(Severe Plastic Burnishing,SPB)這一SNC新方法誘導(dǎo)fcc晶體結(jié)構(gòu)中層錯(cuò)能純銅及bcc晶體結(jié)構(gòu)高層錯(cuò)能純鐵兩種材料的梯度超細(xì)晶結(jié)構(gòu)表層,對(duì)其不同的晶粒細(xì)化機(jī)理及表層性能進(jìn)行全面深入研究。選用純金屬是因?yàn)檫@可以排除固溶強(qiáng)化、沉淀強(qiáng)化、相變等因素影響,更有利于理解晶粒細(xì)化對(duì)材料力學(xué)和使用性能的影響。而選用不同層錯(cuò)能及晶體結(jié)構(gòu)的金屬是因?yàn)閷渝e(cuò)能的大小及晶體微觀結(jié)構(gòu)與晶粒細(xì)化機(jī)理密切相關(guān)。本研究的主要內(nèi)容及結(jié)論如下:采用SPB技術(shù)對(duì)純銅和純鐵試樣進(jìn)行不同滾壓力和滾壓次數(shù)的處理,研究處理前后晶粒尺寸的改變。對(duì)純銅滾壓2次后,晶粒細(xì)化至亞微米級(jí),平均晶粒尺寸為643 nm;滾壓次數(shù)增加到8次后,晶粒細(xì)化至納米級(jí),平均晶粒尺寸減小到12 nm;對(duì)純鐵滾壓8次后,晶粒已經(jīng)明顯細(xì)化,最小晶粒尺寸約300 nm。采用透射電鏡(TEM)、掃描電鏡(SEM)、X-射線衍射儀(XRD)、金相顯微鏡(OM)等測(cè)試方法對(duì)試樣橫截面、表面、不同層深的微觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行研究,得出了不同晶體結(jié)構(gòu)及層錯(cuò)能的梯度超細(xì)晶結(jié)構(gòu)材料的晶粒細(xì)化機(jī)理。對(duì)于中等層錯(cuò)能fcc晶體結(jié)構(gòu)金屬,在低應(yīng)變和應(yīng)變速率下,原始粗晶通過(guò)剪切帶和位錯(cuò)滑移的分割作用,將晶粒細(xì)化至微米/亞微米尺度;在高應(yīng)變和應(yīng)變速率下,高密度位錯(cuò)及機(jī)械孿生的共同作用進(jìn)一步將晶粒細(xì)化至亞微米/納米級(jí);最后,通過(guò)晶粒轉(zhuǎn)動(dòng)或晶界滑動(dòng)形成等軸狀、隨機(jī)取向的納米晶。對(duì)于高層錯(cuò)能bcc晶體結(jié)構(gòu)金屬,首先通過(guò)位錯(cuò)的增殖、累積和相互作用在粗晶內(nèi)部形成位錯(cuò)墻、位錯(cuò)纏結(jié)及胞狀組織。隨著塑性變形程度增加,位錯(cuò)墻和位錯(cuò)纏結(jié)附近的高密度位錯(cuò)不斷生成、湮滅和重排,使其逐漸演變成亞晶界,位錯(cuò)胞也逐漸形成微米級(jí)的亞晶。這些亞晶或位錯(cuò)胞內(nèi)部的進(jìn)一步位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)最終促使晶粒細(xì)化至納米或亞微米尺度。研究了不同加工參數(shù)的梯度超細(xì)晶純銅樣的力學(xué)及使用性能。結(jié)果表明:梯度超細(xì)晶純銅樣的表面粗糙度降低至原粗糙度的1/10;SPB方法可顯著提高試樣表層硬度至基體的1.7倍以上,硬化層厚度約400μm且晶粒尺寸與硬度符合傳統(tǒng)的Hall-Petch關(guān)系。在干摩擦和油潤(rùn)滑條件下,梯度超細(xì)晶銅均表現(xiàn)出更優(yōu)異的抗磨損性能,但在油潤(rùn)滑時(shí)的摩擦系數(shù)高于粗晶銅。梯度超細(xì)晶銅在3.5%NaCl溶液中的自腐蝕電位負(fù)移且腐蝕電流密度明顯增大,耐腐蝕性有所下降,但在6%FeCl3溶液中的抗點(diǎn)蝕能力顯著提高。梯度超細(xì)晶銅的晶粒長(zhǎng)大激活能為110.9kJ/mol,遠(yuǎn)小于粗晶銅的晶粒長(zhǎng)大激活能。當(dāng)退火溫度超過(guò)200℃時(shí),梯度超細(xì)晶銅的晶粒明顯長(zhǎng)大,同時(shí)微觀應(yīng)變大幅減小,表明納米晶銅的熱穩(wěn)定性下降。對(duì)SPB處理的梯度超細(xì)晶純鐵的表面粗糙度、顯微硬度、抗摩擦磨損性能及耐腐蝕性進(jìn)行研究,結(jié)果表明:梯度超細(xì)晶鐵的表面粗糙度從3.67μm降低到0.41μm;最表層顯微硬度比原始粗晶提高約1.6倍,加工硬化作用顯著;干摩擦條件下,梯度超細(xì)晶鐵在小載荷下的抗摩擦磨損性能明顯降低,油潤(rùn)滑條件下,梯度超細(xì)晶鐵與粗晶鐵的最大磨損體積比小于1%,耐磨損性能大幅提高,但穩(wěn)態(tài)摩擦系數(shù)變大;純鐵經(jīng)SPB處理后自腐蝕電位往陽(yáng)極方向移動(dòng),腐蝕電流密度顯著降低,點(diǎn)蝕速度減小1/2,耐腐蝕性大幅提高。
【關(guān)鍵詞】：劇烈塑性滾壓 梯度超細(xì)晶結(jié)構(gòu) 微觀結(jié)構(gòu)表征 納米化機(jī)理 微動(dòng)磨損性能 耐腐蝕性
【學(xué)位授予單位】：華南理工大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號(hào)】：TG301;TG14
【目錄】：

• 摘要5-7
• Abstract7-17
• 第一章 緒論17-42
• 1.1 引言17-18
• 1.2 滾壓技術(shù)研究概況18-20
• 1.2.1 新型滾壓技術(shù)18-19
• 1.2.2 工藝參數(shù)優(yōu)化19-20
• 1.2.3 復(fù)合滾壓工藝20
• 1.3 表面納米化技術(shù)研究發(fā)展現(xiàn)狀20-27
• 1.3.1 納米材料及其制備工藝20-22
• 1.3.2 表面納米化技術(shù)的原理及制備方法22-27
• 1.4 表面納米化材料微觀結(jié)構(gòu)特點(diǎn)27-28
• 1.4.1 梯度分布結(jié)構(gòu)27-28
• 1.4.2 表層強(qiáng)織構(gòu)28
• 1.5 表面納米化對(duì)材料性能的影響28-40
• 1.5.1 力學(xué)性能研究28-30
• 1.5.2 摩擦磨損性能30-33
• 1.5.3 電化學(xué)腐蝕性能33-39
• 1.5.4 納米材料熱穩(wěn)定性39-40
• 1.6 課題的來(lái)源、背景和主要內(nèi)容40-42
• 第二章 試驗(yàn)材料及研究方法42-54
• 2.1 引言42
• 2.2 SPB實(shí)驗(yàn)裝置和原理42-44
• 2.3 SPB工藝參數(shù)的設(shè)計(jì)44-45
• 2.4 試驗(yàn)材料45-46
• 2.5 顯微組織結(jié)構(gòu)分析方法46-49
• 2.5.1 X射線衍射儀46-48
• 2.5.2 光學(xué)顯微鏡和掃描電子顯微鏡48-49
• 2.5.3 透射電子顯微鏡49
• 2.6 性能測(cè)試方法49-52
• 2.6.1 表面粗糙度49-50
• 2.6.2 顯微硬度測(cè)試50
• 2.6.3 微動(dòng)磨損性能測(cè)試50-51
• 2.6.4 電化學(xué)腐蝕性能測(cè)試51-52
• 2.6.5 熱穩(wěn)定性測(cè)試52
• 2.7 本章小結(jié)52-54
• 第三章 面心立方金屬梯度超細(xì)晶結(jié)構(gòu)表征及細(xì)化機(jī)理54-69
• 3.1 引言54
• 3.2 梯度納米晶銅微觀組織形貌54-62
• 3.2.1 橫截面微觀組織結(jié)構(gòu)54-56
• 3.2.2 不同層深的微觀組織結(jié)構(gòu)56-57
• 3.2.3 表面及次表層微觀組織結(jié)構(gòu)57-59
• 3.2.4 XRD測(cè)試晶粒尺寸及織構(gòu)分析59-62
• 3.3 梯度亞微米晶純銅微觀結(jié)構(gòu)表征62-64
• 3.3.1 橫截面及不同層深的微觀形貌62-64
• 3.3.2 表面微觀組織形貌觀察64
• 3.4 中層錯(cuò)能fcc晶體結(jié)構(gòu)金屬細(xì)化機(jī)理64-68
• 3.5 本章小結(jié)68-69
• 第四章 體心立方金屬梯度超細(xì)晶結(jié)構(gòu)表征及細(xì)化機(jī)理69-76
• 4.1 引言69-70
• 4.2 梯度超細(xì)晶純鐵的微觀組織形貌70-72
• 4.2.1 橫截面及表面微觀形貌觀察70-71
• 4.2.2 XRD譜線分析71-72
• 4.3 高層錯(cuò)能bcc晶體結(jié)構(gòu)金屬細(xì)化機(jī)理72-75
• 4.4 本章小結(jié)75-76
• 第五章 劇烈塑性滾壓對(duì)面心立方金屬性能的影響76-109
• 5.1 引言76
• 5.2 劇烈塑性滾壓對(duì)純銅表面質(zhì)量的影響76-80
• 5.3 梯度超細(xì)晶銅沿厚度方向顯微硬度分布80-82
• 5.4 梯度超細(xì)晶銅抗微動(dòng)摩擦磨損性能分析82-92
• 5.4.1 干摩擦條件82-88
• 5.4.2 油潤(rùn)滑條件88-92
• 5.5 劇烈塑性滾壓對(duì)純銅耐腐蝕性能的影響92-100
• 5.5.1 開(kāi)路電位試驗(yàn)92-93
• 5.5.2 動(dòng)電位極化試驗(yàn)93-97
• 5.5.3 電化學(xué)阻抗譜測(cè)試97-99
• 5.5.4 點(diǎn)蝕試驗(yàn)99-100
• 5.6 梯度超細(xì)晶結(jié)構(gòu)表層殘余應(yīng)力分布100-102
• 5.7 梯度超細(xì)晶銅的熱穩(wěn)定性研究102-107
• 5.8 本章小結(jié)107-109
• 第六章 劇烈塑性滾壓對(duì)體心立方金屬性能的影響109-138
• 6.1 引言109-110
• 6.2 劇烈塑性滾壓對(duì)純鐵表面粗糙度的影響110-113
• 6.3 梯度超細(xì)晶鐵顯微硬度沿深度的變化113-114
• 6.4 劇烈塑性滾壓對(duì)純鐵抗微動(dòng)磨損性能的影響114-128
• 6.4.1 干摩擦狀態(tài)114-122
• 6.4.2 油潤(rùn)滑狀態(tài)122-128
• 6.5 梯度超細(xì)晶鐵電化學(xué)腐蝕性能分析128-135
• 6.5.1 塔菲爾曲線分析128-132
• 6.5.2 點(diǎn)蝕試驗(yàn)分析132-133
• 6.5.3 奈奎斯特圖及等效電路分析133-134
• 6.5.4 活性梯度超細(xì)晶結(jié)構(gòu)金屬腐蝕機(jī)理134-135
• 6.6 劇烈塑性滾壓對(duì)純鐵壓縮殘余應(yīng)力的影響135-136
• 6.7 本章小結(jié)136-138
• 結(jié)論138-141
• 主要工作與結(jié)論138-139
• 本文創(chuàng)新性成果139-140
• 展望與設(shè)想140-141
• 參考文獻(xiàn)141-155
• 攻讀博士學(xué)位期間取得的研究成果155-156
• 致謝156-157
• 附件157

【參考文獻(xiàn)】

中國(guó)期刊全文數(shù)據(jù)庫(kù) 前8條

1 劉剛,雍興平,盧柯;金屬材料表面納米化的研究現(xiàn)狀[J];中國(guó)表面工程;2001年03期

2 ;Surface Nanocrystallization (SNC) of Metallic Materials-Presentation of the Concept behind a New Approach[J];Journal of Materials Science & Technology;1999年03期

3 盧柯，，劉學(xué)東，胡壯麒;納米晶體材料的Hall—Petch關(guān)系[J];材料研究學(xué)報(bào);1994年05期

4 盧柯,盧磊;金屬納米材料力學(xué)性能的研究進(jìn)展[J];金屬學(xué)報(bào);2000年08期

5 王愛(ài)香,劉剛,周蕾,王科,楊曉華,李瑛;表面機(jī)械研磨處理后316L不銹鋼的表層結(jié)構(gòu)及硬度的熱穩(wěn)定性[J];金屬學(xué)報(bào);2005年06期

6 王東坡;宋寧霞;王婷;霍立興;;納米化處理超聲金屬表面[J];天津大學(xué)學(xué)報(bào);2007年02期

7 李雪莉,李瑛,王福會(huì),雍興平;USSP表面納米化Fe-20Cr合金的腐蝕性能及機(jī)制研究[J];中國(guó)腐蝕與防護(hù)學(xué)報(bào);2002年06期

8 金磊;崔文芳;宋秀;劉剛;周廉;;表面納米化對(duì)β型鈦合金耐腐蝕性能的影響(英文)[J];Transactions of Nonferrous Metals Society of China;2014年08期

中國(guó)博士學(xué)位論文全文數(shù)據(jù)庫(kù) 前1條

1 劉宇;金屬表面超聲滾壓加工理論及表層力學(xué)性能研究[D];天津大學(xué);2012年

本文編號(hào)：529082